Solid-state-electrolytes for advanced power devices

Abstract

Il problema della produzione e immagazzinamento dell’energia, risulta essere ad oggi, un problema di fondamentale importanza, considerando la continua crescita demografica e le problematiche legate all’elevato inquinamento ambientale. Per tali motivi, la ricerca di nuovi metodi di produzione e immagazzinamento, acquista un’importanza sempre più rilevante. Oggi, uno dei sistemi di accumulo di energia più utilizzati nei vari settori è quello delle batterie agli ioni di litio, grazie alla loro elevata capacità di accumulo e all'elevata efficienza energetica. Tali dispositivi, sono utilizzati per apparecchiature mobili quali computer portatili, telefoni cellulari, e per l'alimentazione di veicoli elettrici. In riferimento a questi ultimi, nello specifico, lo scopo è quello di raggiungere una maggiore competitività rispetto al motore a combustione interna, in termini di autonomia, costi e potenza. Un sistema di propulsione ibrido, il cui compito è quello di garantire un'elevata efficienza ma allo stesso tempo un basso impatto ambientale, è generalmente costituito da un gruppo motore-generatore e da un serbatoio di accumulo elettrico. Attualmente tale sistema risulta essere la soluzione più praticata, ma da alcuni anni la ricerca è stata indirizzata verso proposte alternative, quali ad esempio la tecnologia delle celle a combustibile (FC), le quali sono in grado di generare elettricità in modo pulito ed efficiente utilizzando l'idrogeno come combustibile. Tra i vari tipi di celle, quelle basate su un elettrolita polimerico, sono particolarmente rilevanti per il settore automobilistico. In particolare le Proton- Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) offrono interessanti vantaggi nelle applicazioni veicolari o portatili, come la rapidità di avviamento, l'elevata efficienza di conversione energetica (~ 50%), il ridotto impatto ambientale per le basse emissioni di CO2 (zero nel caso in cui l'idrogeno sia il carburante) e temperature di funzionamento relativamente basse (tra 60 e 130 °C). Le celle a combustibile e le batterie agli ioni di litio sono state oggetto della presente tesi di dottorato sviluppata nel Laboratorio di Chimica Fisica e Materiali Applicati (PCAM LAB) presso il Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell'Università della Calabria. La sezione dedicata alle celle a combustibile, comprende aspetti generali su questa tecnologia, la descrizione delle membrane a scambio protonico e a scambio anionico, la preparazione di membrane composite, e infine i risultati della mia ricerca. L'obiettivo generale del lavoro è stato quello di progettare, sintetizzare e valutare elettroliti compositi innovativi con proprietà specifiche per le celle a combustibile a membrana polimerica. Mentre, la sezione dedicata alle batterie agli ioni di litio riguarda lo studio degli elettroliti polimerici compositi in gel (GPE) a base di argille organo-modificate disperse in miscele di polimeri PEO-PAN e liquidi ionici (IL). Le principali tecniche impiegate per lo studio degli elettroliti sintetizzati vanno dalla spettroscopia NMR alla spettroscopia di impedenza elettrochimica, dall'analisi meccanica (DMA) fino alle misure di polarizzazione elettrochimica nelle celle a combustibile DHFC e DMFC.